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Die Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung für Batteriezellen umfassend mindestens einen Rahmen, wobei der Rahmen eine Ausnehmung, vorzugsweise vollständig, in einer radialen Ebene umschließt, wobei eine Batteriezelle in eine auf die radiale Ebene orthogonale axiale Richtung durch die Ausnehmung schiebbar ist, weiters umfassend mindestens eine Blattfeder, wobei die mindestens eine Blattfeder mit einem festen Ende am mindestens einen Rahmen befestigt ist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Akkupack und ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer Haltevorrichtung oder einem Akkupack.
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Elektrisch angetriebene Fahrzeuge benötigen einen elektrischen Energiespeicher, welche üblicherweise mehrere Batteriezellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, zum Beispiel vom Typ 21700, umfasst. Es ist bekannt, diese Batteriezellen, welche typischerweise eine zylindrische Form aufweisen, in einer Haltevorrichtung nebeneinander anzuordnen. Einer solchen fixen Anordnung können die Batteriezellen elektrisch in Reihe oder in Serie geschaltet werden. Die Gesamtheit von Haltevorrichtung und Batteriezellen wird auch Akkupack genannt.
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Durch die stetige Weiterentwicklung verbessern sich die Eigenschaften der Batteriezellen in kurzen Abständen. Durch Schwankungen der Außendurchmesser und Toleranzmaße der Batteriezellen unterschiedlicher Generationen und Hersteller von bis zu 0,8 Millimeter muss für jede neue Batteriezelle eine neue Haltevorrichtung hergestellt werden. Hierdurch ist der Umstieg auf die jeweils aktuelle Generation oder den kostengünstigsten Hersteller mit hohem Entwicklungsaufwand und Werkzeugkosten verbunden, selbst wenn der grundlegende Aufbau der Haltevorrichtung beibehalten werden soll.
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Die Schriften
DE 20 2011 109 863 U1 und
WO 2019/229 006 A1 offenbaren Haltevorrichtungen für eine Batteriezellen. Durch eine elastische Klemmvorrichtung, welche sich in den Innenraum einer Ausnehmung für eine Batteriezelle erstreckt, kann die Batteriezelle in radialer Richtung festgeklemmt werden.
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Nachteilig an den genannten Schriften ist, dass eine Konstruktion, bei welcher eine Klemmvorrichtung in den Innenraum einer Ausnehmung ragt, schwierig herstellbar ist. Zudem muss der Rahmen, welcher die Ausnehmung definiert, relativ massiv ausgebildet sein, um die Klemmvorrichtung aufzunehmen.
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Die Erfindung hat zur Aufgabe eine alternative Haltevorrichtung bereitzustellen, in welcher Batteriezellen unterschiedlicher Hersteller und Generationen mit verschiedenen Außendurchmessern aufgenommen werden können und welche leicht und mit wenig Materialaufwand herstellbar ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die mindestens eine Blattfeder im entspannten Zustand, insbesondere mit ihrem freien Ende, in einen Freibereich ragt, wobei der Freibereich außerhalb der Ausnehmung angeordnet ist. Dabei ist von der mindestens einen Blattfeder eine Kraft auf eine in die Ausnehmung eingeschobene Batteriezelle ausübbar.
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Wird eine Batteriezelle durch die mindestens eine Ausnehmung geschoben, wird diese in axialer Richtung ausgerichtet. Die Batteriezelle durchragt die Ausnehmung im Rahmen bis in den Freibereich, welcher außerhalb der Ausnehmung angeordnet ist. Da die mindestens eine Blattfeder im entspannten Zustand mit ihrem freien Ende in den Freibereich ragt, wird die mindestens eine Blattfeder von einer eingeschobenen Batteriezelle gespannt. Dadurch wird eine Kraft auf die eingeschobene Batteriezelle ausgeübt und die Batteriezelle in radialer Richtung verklemmt.
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Zudem kann die Elastizität des Rahmens Batteriezellen mit verschiedenen Außendurchmesser festklemmen und Toleranzen ausgleichen.
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Hierdurch können verschiedene Batteriezellen in einer Haltevorrichtung verwendet werden, wodurch eine signifikante Senkung der Entwicklungszeit und der Werkzeugkosten erreicht werden kann.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel entspricht der Freibereich einer gedachten Verlängerung der Ausnehmung in axialer Richtung. Insbesondere ist der Freibereich innerhalb eines gedachten, geraden Prismas, welches die gleiche Grundfläche wie die Ausnehmung aufweist, angeordnet.
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Eine Batteriezelle, welche gerade durch die Ausnehmung ragt, ist daher im Freibereich angeordnet. Dadurch kann eine gerade durch die Ausnehmung ragende Batteriezelle von der mindestens einen Blattfeder verklemmt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Blattfeder relativ zur axialen Richtung geneigt ausgerichtet ist. Der Abweichungswinkel zur axialen Richtung kann zwischen 65° und 90°, besonders bevorzugt zwischen 75° und 85°, liegen. Damit kann die Blattfeder in den Freibereich ragen. Ist eine Batteriezelle in den Rahmen eingeschoben, wird die mindestens eine Blattfeder so gebogen, dass sie nahezu axial ausgerichtet ist.
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Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Blattfeder länglich ausgeformt ist. Die Längsrichtung der Blattfeder kann durch eine Drehung nahezu axial ausgerichtet werden, was passiert, wenn eine Batteriezelle eingeführt wird.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die mindestens eine Blattfeder, insbesondere an ihrem freien Ende, einen Anschlag zum axialen Anschlagen einer Batteriezelle auf. Beim Einschieben der Batteriezelle durch die Ausnehmung in axialer Richtung schlägt die Batteriezelle in einer durch die Länge der Blattfeder definierten Lage an.
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Der Anschlag kann vorzugsweise ein abgewinkeltes Endstück der mindestens einen Blattfeder umfassen. So kann der Anschlag einteilig mit der Blattfeder ausgebildet sein.
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Es können mindestens zwei, vorzugsweise genau drei, Blattfedern vorgesehen sein. Damit kann die Batteriezelle von mehreren Seiten verklemmt werden.
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Die mindestens zwei Blattfedern können jeweils von verschiedenen Seiten in den Freibereich ragen. Es ist dabei bevorzugt vorgesehen, dass die jeweils verschiedenen Seiten azimutal gleichverteilt sind. Damit wird die Batteriezelle in Summe in die Mitte getrieben im Zuge der Verklemmung zentriert.
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Die mindestens zwei Blattfedern können jeweils an verschiedenen Stellen am Rahmen angeordnet sein. Es ist dabei bevorzugt vorgesehen, dass die jeweils verschiedenen Stellen azimutal gleichverteilt sind. Damit kann realisiert werden, dass die mindestens zwei Blattfedern von verschiedenen Seiten in den Freibereich ragen.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der mindestens eine Rahmen im Wesentlichen als entlang der axialen Richtung ausgerichtetes, gerades Prisma ausgeformt, wobei die Grundfläche des Prismas ein der Grundfläche der Ausnehmung entsprechendes Loch aufweist. Die Form des Rahmens weist daher in die axiale Richtung keine Variation auf, womit der Rahmen besonders einfach herstellbar ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Rahmen im Wesentlichen polygonal, insbesondere sechseckig, ausgebildet ist. Insbesondere kann der mindestens eine Rahmen als ein Prisma mit einer, vorzugsweise regelmäßigen, polygonalen, insbesondere sechseckigen, Grundfläche ausgebildet sein. So kann der Rahmen leicht mit weiteren Rahmen verbunden werden, beispielsweise in einer Wabenstruktur, wie später ausgeführt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Ausnehmung im Wesentlichen polygonal, insbesondere sechseckig, ausgebildet ist. Insbesondere kann die mindestens eine Ausnehmung durch ein Prisma mit einer, vorzugsweise regelmäßigen, polygonalen, insbesondere sechseckigen, Grundfläche definiert wird. Damit weist der mindestens eine Rahmen innen eine polygonale, insbesondere sechseckige, Form auf. Dadurch liegt eine zylindrische Batteriezelle nicht an jeder Stelle der Innenseite des Rahmens an, wodurch sich der Rahmen leichter elastisch verformen lässt und damit Toleranzen besser ausgleichen kann.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist mindestens eine Ecke, vorzugsweise alle sechs Ecken, des Rahmens durch einen zylinderförmigen Verstärkungsbereich verstärkt. Damit weicht der polygonale, insbesondere sechseckige, Rahmen und/oder die polygonale, insbesondere sechseckige, Ausnehmung, insbesondere die grundsätzlich hexagonale Grundfläche des mindestens einen Rahmens und/oder der mindestens einen Ausnehmung, in mindestens einer Ecke von der polygonalen, insbesondere sechseckigen, Form ab. Durch die Verstärkungsbereiche können die üblicherweise Schwachstellen darstellenden Ecken verstärkt werden.
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Die mindestens eine Blattfeder kann vorzugsweise im Bereich einer Seite des Sechsecks am mindestens einen Rahmen befestigt sein. Eine solche Seite eignet sich besonders zur Befestigung einer Blattfeder, da die Seite gerade ausgebildet ist. Die Herstellung der Haltevorrichtung wird mit dieser Konstruktion vereinfacht.
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Bevorzugt können mindestens drei Blattfedern für einen Rahmen vorgesehen sein, wobei jeweils eine Blattfeder an jeder zweiten Seite des Polygons, insbesondere Sechsecks, am mindestens einen Rahmen befestigt ist. Damit bleibt jede zweite Seite des Polygons, insbesondere Sechsecks, frei von einer Blattfeder für den Rahmen. Insbesondere in einer Anordnung mehrere Rahmen in einer Wabenstruktur können die freien Seiten für Blattfedern von benachbarten Rahmen verwendet werden. So kann modular eine Haltevorrichtung mit beliebig vielen Rahmen konstruiert werden.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind mindestens zwei, vorzugsweise eine Vielzahl an, Rahmen vorgesehen, wobei die mindestens zwei Rahmen, vorzugsweise einteilig, miteinander verbunden sind. So kann ein Array an vorzugsweise gleichartigen Rahmen konstruiert werden, womit eine Vielzahl von Batteriezellen in der Haltevorrichtung angeordnet werden können.
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Insbesondere ist eine Vielzahl von Rahmen gemäß einer Wabenstruktur angeordnet. Eine Wabenstruktur stellt eine besonders platzsparende Art der Anordnung dar. Die Energiedichte eines so konstruierten Akkupacks kann dadurch maximiert werden.
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Bevorzugt ist im Bereich, in welchem zwei benachbarte Rahmen miteinander verbunden sind, nur eine Blattfeder vorgesehen ist, wobei die eine Blattfeder in den Freibereich von einem der beiden Rahmen ragt. So kommen sich die Blattfedern benachbarter Rahmen strukturell nicht in die Quere, womit die Haltevorrichtung auf beliebige Größen ohne konstruktiven Mehraufwand skalierbar ist.
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In einem Ausführungsbeispiel weisen mindestens zwei benachbarte Rahmen eine gemeinsame Seitenfläche auf. Wenn die Rahmen die Form eines sechseckigen Prismas aufweisen, haben mindestens zwei benachbarte Rahmen eine gemeinsame Seitenfläche des sechseckigen Prismas. Damit kann besonders einfach eine Wabenstruktur erzeugt werden.
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Auch können mindestens zwei benachbarte Ecken einen gemeinsamen zylinderförmigen Verstärkungsbereich aufweisen. Ein einziger Verstärkungsbereich verstärkt daher die Kanten mehrerer Rahmen.
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Bevorzugt ist gesamte Haltevorrichtung einteilig ausgebildet. Die Herstellung ist damit besonders einfach und kostengünstig.
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Bevorzugt ist die Haltevorrichtung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Kunststoff, beispielsweise Cycoloy CX7240 (Sabic), gefertigt. Insbesondere kann die Haltevorrichtung mittels Spritzguss oder additiver Fertigung hergestellt werden.
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Eine Haltevorrichtung kann zur Fassung von Batteriezellen mit einem Durchmesser von 1 bis 5 Zentimeter, insbesondere in etwa 2 bis 3 Zentimeter, geeignet sein. Die Batteriezelle kann eine Höhe von 5 bis 10 Zentimeter, insbesondere 7 bis 8 Zentimeter, aufweisen. Es kann sich um Batteriezellen des Typs 21700 handeln.
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Ein erfindungsgemäßes Akkupack weist mindestens eine Haltevorrichtung auf, wobei mindestens eine Batteriezelle in mindestens einen Rahmen eingeschoben ist. Bevorzugt sind eine Vielzahl von Batteriezellen in eine Vielzahl von Rahmen eingeschoben und elektrisch verbunden.
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Ein Akkupack in einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens zwei, vorzugsweise gleichartige, Haltevorrichtungen auf, wobei mindestens eine Batteriezelle an einem ersten Ende in einen Rahmen einer ersten Haltevorrichtung und an einem zweiten Ende in einen Rahmen einer zweiten Haltevorrichtung eingeschoben ist.
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Die erste Haltevorrichtung ist in dieser Ausführungsform um 180° in Bezug auf die zweite Haltevorrichtung gedreht. Insbesondere kann die Batteriezelle so an beiden Enden durch Blattfedern festgeklemmt werden und gegebenenfalls an beiden Enden an einem Anschlag an den Blattfedern anschlagen.
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Ein erfindungsgemäßes elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere Motorrad oder Fahrrad, weist eine Haltevorrichtung oder einen Akkupack auf. Mittels dem Akkupack kann das Fahrzeug angetrieben werden. Ein Wechsel der Batteriezellen ist ohne einen Wechsel der Haltevorrichtung möglich. Dies spart Kosten und Aufwand.
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Weitere Ausführungsbeispiele und Details werden in den Figuren gezeigt. Dabei zeigen:
- 1a Haltevorrichtung für Batteriezellen in perspektivischer Ansicht
- 1b Haltevorrichtung für Batteriezellen in alternativer, perspektivischer Ansicht
- 2a Haltevorrichtung für Batteriezellen in alternativer, perspektivischer Ansicht
- 2b Haltevorrichtung für Batteriezellen in alternativer, perspektivischer Ansicht
- 3a Haltevorrichtung für Batteriezellen in Draufsicht
- 3b Haltevorrichtung für Batteriezellen in Unteransicht
- 3c Haltevorrichtung für Batteriezellen in Seitenansicht
- 4a alternatives Ausführungsbeispiel einer Haltevorrichtung in perspektivischer Ansicht
- 4b alternatives Ausführungsbeispiel einer Haltevorrichtung mit vielen Rahmen
- 5a-d Akkupack mit einer ersten und einer zweiten Haltevorrichtung und Batteriezellen
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Die 1a, 1b, 2a und 2b zeigen eine Haltevorrichtung 1 für Batteriezellen 2 in verschiedenen perspektivischen Ansichten. Die 3a zeigt eine Draufsicht, die 3b eine Unteransicht und die 3c eine Seitenansicht der Haltevorrichtung 1 aus den 1a, 1b, 2a und 2b.
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Die Haltevorrichtung 1 umfasst mindestens einen Rahmen 3, wobei der Rahmen 3 eine Ausnehmung 4 in einer radialen Ebene R umschließt. Eine Batteriezelle 2 ist in einer auf die radiale Ebene orthogonal axiale Richtung A durch die Ausnehmung 4 schiebbar.
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Das Ausführungsbeispiel in den 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b und 3c weist insbesondere sieben Rahmen 3 mit jeweils einer Ausnehmung 4 auf. Es kann aber auch eine andere Anzahl an Rahmen vorgesehen sein. Die Rahmen 3 sind, vorzugsweise einteilig, miteinander verbunden.
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Die Rahmen 3 sind im Wesentlichen als entlang der axialen Richtung A ausgerichtete, gerades Prisma ausgebildet, wobei eine der durchgehende Ausnehmung 4 vorgesehen ist. Entlang der axialen Richtung A weisen die Rahmen 3 daher keine Variation in der Form auf. Dadurch sind die Rahmen 3 besonders einfach gebaut und können in der radialen Ebene R modular aneinander angeordnet werden. Es können aber durchaus auch andere Formen der Rahmen 3 denkbar sein.
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Die Rahmen 3 als auch die Ausnehmungen 4 sind im Wesentlichen sechseckig, insbesondere als regelmäßiges Sechseck, ausgeführt. An den sechs Ecken 10 sind jeweils Verstärkungsbereiche 11 ausgebildet. Diese Verstärkungsbereiche 11 sind im Wesentlichen zylindrisch ausgeformt und verstärken die Ecken 10. Die Rahmen 3 weichen dadurch von der streng sechseckigen Form ab.
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In der 3b ist die Grundfläche der Rahmen 3 ersichtlich. Diese ist im Wesentlichen sechseckig ausgebildet, wobei an den Ecken 10 die Verstärkungsbereiche 11 ersichtlich sind.
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Die Rahmen 3 sind gemäß einer Wabenstruktur angeordnet, was insbesondere durch die sechseckige Form ermöglicht wird. Benachbarte Rahmen 3 teilen sich jeweils eine Seitenwand 12 und zwei Verstärkungsbereiche 11.
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Zudem umfasst die Haltevorrichtung 1 mindestens eine Blattfeder 5, wobei die mindestens eine Blattfeder 5 mit einem festen Ende 6 am mindestens einen Rahmen 3 befestigt ist. Die Blattfeder 5 ist unter anderem dazu vorgesehen, eine eingeschobene Batteriezelle 2 zu verklemmen und zu zentrieren. Dabei wird die Blattfeder 5 von der Batteriezelle 2 von einem entspannten Zustand in einen gespannten Zustand gebracht. Die Blattfeder 5 verklemmt die Batteriezelle 2 mit ihrer Federkraft.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die mindestens eine Blattfeder 5 im entspannten Zustand mit ihrem freien Ende 7, welches dem festen Ende 6 gegenüberliegt, in einen Freibereich 8 ragt. Der Freibereich 8 ist außerhalb der jeweiligen Ausnehmung 4 des Rahmens 3 angeordnet. Insbesondere entspricht der Freibereich 8 einer gedachten Verlängerung der Ausnehmung 4 in axialer Richtung A.
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Eine in den Rahmen 3 und durch die Ausnehmung 4 eingeschobene Batteriezelle 2 ragt in den Freibereich 8. Jeder der Rahmen 3 weist so einen eigenen Freibereich 8 auf.
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Im Ausführungsbeispiel der 1a bis 3c sind insbesondere drei Blattfedern 5 vorgesehen, welche in den Freibereich 8 eines Rahmens 3 ragen. Hierfür eignet sich besonders die sechseckige Form der Rahmen 3: An jeder zweiten Seite kann eine Blattfeder 5, welche in den Freibereich 8 des jeweiligen Rahmens 3 ragt, angeordnet sein. An den restlichen Seiten, welche mit benachbarten Rahmen 3 geteilt werden, können Blattfedern 5 für benachbarte Rahmen 3 angeordnet sein, welche in deren Freibereiche 8 ragen. So sind jedem Rahmen 3 funktionell drei Blattfedern 5 zugeordnet.
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Bei einer Anordnung an jeder zweiten Seite am Sechseck des Rahmens 3 ist insbesondere auch garantiert, dass die Blattfedern 5 azimutal gleichverteilt angeordnet sind. Damit kann eine Batteriezelle 2 effektiv zentriert werden, da sich die Kräfte in der radialen Ebene R aufheben.
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Die Blattfedern 5 sind relativ zur axialen Richtung A geneigt, sodass sie vom Befestigungspunkt am Rahmen 3 in den Freibereich 8 ragen. Zudem sind die Blattfedern 5 vorzugsweise länglich ausgeformt.
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An ihrem freien Ende 7 weisen die Blattfedern 5 einen Anschlag 9 auf zum axialen Anschlagen einer Batteriezelle 2 auf. Der Anschlag 9 ist als ein abgewinkeltes Endstück der Blattfeder 5 ausgebildet. Die Batteriezelle 2 wird dadurch in eine axiale Richtung A formschlüssig gehalten und kann nicht über die Position des Anschlags 9 hinaus eingeschoben werden.
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Die 4a und 4b zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel der Haltevorrichtung 1. Insbesondere weist die Haltevorrichtung 1 keinen Verstärkungsbereich 11 auf, ist aber sonst wie in den 1a bis 3c ausgeformt. Die Rahmen 3 sind also sechseckig ausgeformt, wobei der Rahmen 3 sechs Ecken 10 aufweist.
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Die 4a zeigt eine Haltevorrichtung 1 mit sieben Rahmen 3. Die 4b zeigt eine Anordnung aus einer Vielzahl von Rahmen 3, welche wie in der 4a ausgeformt sind. Durch die Wabenstruktur und die Anordnung der Blattfedern 5 an jeder zweiten Seite des Rahmens 3 kann die Haltevorrichtung 1 beliebig groß ausgeführt werden.
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In einer großen Haltevorrichtung 1 können eine Vielzahl von Batteriezellen 2 angeordnet werden, womit ein leistungsstarker Akkupack 13 erzeugt werden kann.
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Die 5a bis 5d zeigen einen Akkupack 13 mit zwei Haltevorrichtungen 14, 15, welche ähnlich wie in den 4a und 4b, also ohne Verstärkungsbereich 11, ausgebildet sind.
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Die zwei Haltevorrichtungen 14, 15 sind gleichartig ausgebildet. Die Batteriezellen 2 sind mit einem ersten Ende in einen Rahmen 3 der ersten Haltevorrichtung 14 und an einem zweiten Ende in einen Rahmen 3 der zweiten Haltevorrichtung 15 eingeschoben. Damit werden die Batteriezellen 2 an beiden Enden von einer Haltevorrichtung 14, 15 gehalten.
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Der Akkupack 13 ist besonders geeignet für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere ein Motorrad oder ein Fahrrad.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Haltevorrichtung
- 2
- Batteriezelle
- 3
- Rahmen
- 4
- Ausnehmung
- 5
- Blattfeder
- 6
- festes Ende der Blattfeder
- 7
- freies Ende der Blattfeder
- 8
- Freibereich
- 9
- Anschlag
- 10
- Ecke des Rahmens
- 11
- Verstärkungsbereich
- 12
- Seitenfläche des Rahmens
- 13
- Akkupack
- 14
- Erste Haltevorrichtung
- 15
- Zweite Haltevorrichtung
- R
- radiale Ebene
- A
- axiale Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202011109863 U1 [0005]
- WO 2019/229006 A1 [0005]
